無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉桐

（國家廣播電視總局五七二臺 北京 101109）

1 關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，它將無線通信、嵌入式計(jì)算、傳感器以及分布式信息處理等技術(shù)匯聚于一身，可以對全部的對象信息進(jìn)行協(xié)作性實(shí)時(shí)感知、采集與檢測，而且還可以處理數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)的其中一種，它主要依靠諸多密集且廉價(jià)的智能無線傳感器節(jié)點(diǎn)所組成。而它的基礎(chǔ)設(shè)施并不固定，借助節(jié)點(diǎn)多跳的方式構(gòu)成具有分布性的無線通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中均承擔(dān)路由與主機(jī)的功能，它們具有相同的地位。收發(fā)報(bào)文是所有傳感器節(jié)點(diǎn)都擁有的功能，若受范圍限制的影響導(dǎo)致兩個(gè)節(jié)點(diǎn)無法通信時(shí)，信息轉(zhuǎn)發(fā)便可借助中間節(jié)點(diǎn)來完成。

2 關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

很多價(jià)位低廉的微型傳感器節(jié)點(diǎn)存在于監(jiān)測范圍內(nèi)，它們共同組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，借助無線通信的形式構(gòu)成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，圖1則是這種組織結(jié)構(gòu)的示意圖。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器而言，它可以對壓力、噪音、濕度、溫度、光強(qiáng)度、土壤成分、電磁、地震以及移動(dòng)物體的速度、大小與方向等多種情況進(jìn)行探測。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在MEMS的無線聯(lián)網(wǎng)與微傳感的技術(shù)支持下會有更大的發(fā)展空間、更美好的前景。電力行業(yè)進(jìn)行開發(fā)、應(yīng)用具備特殊需求，這種無線、多跳、無分區(qū)、大規(guī)模、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)不僅符合這些需求，而且確保低成本進(jìn)行電力系統(tǒng)監(jiān)測的同時(shí)保證其準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)

3 電力系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 主要傳感器和它的協(xié)作技術(shù)

國內(nèi)電力系統(tǒng)廠站端具備嚴(yán)密的監(jiān)控功能，對場站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測，而對輸電線路的自動(dòng)監(jiān)測卻不夠完善，運(yùn)行中的諸多問題主要通過人工巡查得以發(fā)現(xiàn)。而且，對輸電線路傳輸容量的控制主要依靠給定的相關(guān)參數(shù)，對實(shí)際中的運(yùn)行參數(shù)無法獲取，而這些給定的參數(shù)相對較為保守，無法使傳輸能力得到充分發(fā)揮。現(xiàn)階段電網(wǎng)地網(wǎng)架結(jié)構(gòu)依然較為薄弱，若能夠采取相應(yīng)措施對輸電線路的傳輸容量進(jìn)行增加，供電緊張的狀況便可得到緩解，創(chuàng)造更大的社會與經(jīng)濟(jì)效益。目前國內(nèi)開發(fā)與研究輸電線路的監(jiān)測仍不成熟，不具備健全的監(jiān)測系統(tǒng)，而電力的生產(chǎn)還不可直接依靠對線路的測量。在線對絕緣子泄露電流、弧垂以及電纜進(jìn)行研究與監(jiān)測，在國內(nèi)，現(xiàn)階段開展的僅為極少的科研單位與廠家，其水平尚未符合開展綜合檢測。在運(yùn)用特定算法的前提下，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)借助信息交換，然后匯總、加工并過濾數(shù)據(jù)后，最終以事件方式來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的識別、跟蹤以及測量。由此可知，關(guān)鍵傳感器的設(shè)計(jì)算法及應(yīng)用決定線路運(yùn)行的綜合監(jiān)測。

3.2 通信以及組網(wǎng)

電力系統(tǒng)當(dāng)中，檢測與監(jiān)控多種開關(guān)量、電氣量以及模擬量主要依靠無線傳感器完成。所以，根據(jù)無線傳感自組網(wǎng)的組網(wǎng)以及通信，需充分結(jié)合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)。在物理層協(xié)議中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)重點(diǎn)考慮。耗能低、通信效率高且可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展是訪問控制層（MAC）的基本要求。根據(jù)無線傳感節(jié)點(diǎn)所擁有的移動(dòng)特性，從而確保設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有合理性、適用性。節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)階段的研究過程中，若拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息過程中協(xié)調(diào)器故障，網(wǎng)絡(luò)會癱瘓，降低可靠性。

3.3 對分布式信息的處理

確保時(shí)間具備同步性是無線傳感自組網(wǎng)組最基本的需求，而動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及較低的通信寬帶，無法滿足時(shí)間同步性的需求。電力系統(tǒng)中應(yīng)創(chuàng)建分層分布式的處理機(jī)制，因?yàn)閿?shù)據(jù)量較大，且不同數(shù)據(jù)需要不同的響應(yīng)時(shí)間和傳輸質(zhì)量，還要處理不同的數(shù)據(jù)，且在不同級中以及不同級之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行的協(xié)作、交互處理也是不同的。電力系統(tǒng)當(dāng)中，為確保傳感器所獲得有意義的數(shù)據(jù)，就應(yīng)與位置信息充分結(jié)合。如：若想有效分析監(jiān)控變電站自動(dòng)化系統(tǒng)開關(guān)量、電氣量等相關(guān)信息，就須知曉詳細(xì)的位置信息。電力系統(tǒng)中使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅要符合電力系統(tǒng)的定位需求，分布式定位算法的設(shè)計(jì)也應(yīng)低成本、低開銷。

3.4 關(guān)于融合、網(wǎng)絡(luò)安全

為了給監(jiān)控與分析提供便利條件，廠、站的控制或調(diào)度中心可能會收到來自通過傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的關(guān)于開關(guān)量、電氣量以及模擬量等相關(guān)數(shù)據(jù)。所以為確保數(shù)據(jù)互補(bǔ)與共享，應(yīng)把無線傳感自組網(wǎng)與現(xiàn)有的電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)相連接。通信環(huán)節(jié)中，任務(wù)應(yīng)具機(jī)密性，數(shù)據(jù)應(yīng)具安全性、可靠性，避免出現(xiàn)非法用戶接入與數(shù)據(jù)被盜竊的現(xiàn)象。傳感器節(jié)點(diǎn)具有自身特點(diǎn)，一般無線傳感網(wǎng)發(fā)現(xiàn)協(xié)議需借助鄰居，將網(wǎng)絡(luò)初始化，不具備硬件防護(hù)措施，所以網(wǎng)絡(luò)時(shí)常被竊聽，嚴(yán)重的甚至受到攻擊。為此應(yīng)對其節(jié)點(diǎn)間、分布模型的耦合性、消息認(rèn)證技術(shù)、框架機(jī)密性、密鑰算法以及鑒別的完整性等進(jìn)行深入研究。

3.5 對設(shè)備的供電設(shè)計(jì)進(jìn)行監(jiān)測

監(jiān)測系統(tǒng)是否實(shí)用化主要體現(xiàn)在對裝置電子電路電源的采集。相關(guān)工作者提出了激光、太陽能加鋰電池以及微波等一系列供電方式，對供電方式的選擇需要結(jié)合實(shí)際的環(huán)境條件，從為確保供電系統(tǒng)的可靠性。

3.6 關(guān)于系統(tǒng)的功耗

硬件和軟件是造成系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵原因。對硬件而言，器件的功耗要低；而對軟件而言，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)上的通信協(xié)議與工作模式。節(jié)點(diǎn)處于不同工作模式中功耗也大不相同，若能將它們充分結(jié)合，既實(shí)現(xiàn)了功能的發(fā)揮，也可降低資源的消耗，這點(diǎn)在軟件設(shè)計(jì)中著重考慮。經(jīng)過對節(jié)點(diǎn)上所有功能模塊的研究發(fā)現(xiàn)，通信模塊的功耗最大。只有保證節(jié)點(diǎn)運(yùn)算開銷低，整個(gè)節(jié)點(diǎn)功耗才會降低，才屬于優(yōu)質(zhì)的通信協(xié)議。

4 結(jié)束語

對電力故障進(jìn)行檢測、定位時(shí)借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更可靠、更簡潔。行波同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)同步，范圍廣、精度高、開銷低、不占用信道資源。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同下，用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對電網(wǎng)進(jìn)行檢測，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。